오늘부터는 수질 화학에 대해 정리합니다.
지구상에서 물은 중요한 역할을 하고 있으며, 특히 인간의 관점에서 물은 생존에 없어서는 안되는 필수적 자원이라고 할 수 있다. 이런 맥락에서 인간은 질(quality)과 양(quantity)의 측면에서 물이라는 자원을 취급한다. 즉 필수 자원인 물이 적정 수준의 수질을 갖지 않으면 인간의 생존을 위해 사용하기 어려우며, 또한 적당한 양이 보장되지 않으면 인간의 생존에 큰 위협이 될 수 있다.
여기서는, 수질(water quality)에 대해 살펴보자. 수질이란 물속에 포함되는 여러 가지 물질로 인해 물이 질적으로 어떤 특성을 갖는지를 표현하는 말이다. 수질이라는 용어를 사용할 때, 우리는 인간의 관점에서 어떤 용도에서 사용할 수 있는 물인지를 판단하려는 의도 속에 있는 경우가 많다. 예를 들어, 흔히 환경부에서 정한 3급수라는 용어를 사용할 때, 이는 물이 포함하고 있는 여러가지 물질로 인해 그 물이 상당히 오염되어 있어 특정 용도의 물로는 적합하지 않을 수 있다는 의미를 전제하고 있다. 물의 수질을 나타내는 항목에는 여러가지가 있는데, 대표적으로 탁도(turbidity), 색도(color), 수소이온농도(pH), 산도(acidity), 알칼리도(alkalinity), 경도(hardness), 용존산소농도(dissolved oxygen), 생물학적 산소 요구량(BOD), 화학적산소요구량(COD), 총유기탄소농도(TOC), 그 외 질소 농도, 인 농도, 부유 고형물 농도(SS), 불소이온, 염소이온, 황산이온, 칼슘이온, 마그네슘이온, 철이온, 망간이온 등 음이온 및 양이온 농도 등이 있다.
본 글에서는 생활에서 그리고 산업분야에서 널리 쓰이고 있는 경수(hard water)와 연수(soft water)에 대해 살펴보자. 경수란 말 그대로 '강한 물'이라는 의미라고 할 수 있다. 자연계의 물 속에 흔히 존재하는 칼슘이온과 마그네슘이온, 기타 양이온의 농도가 높으면 이는 경수 쪽에 가까운 물이된다. 반대로 이들 이온의 농도가 낮으면 이는 '부드러운 물'이라는 의미에서 연수에 가까운 물이다. 이 용어가 의미하는 바를 생활과 연관지어 살펴보면, 물에 칼슘과 마그네슘 농도가 높으면 그 물에는 비누가 잘 풀리지 않는 특징이 있다. 이들 이온의 농도가 낮은 물에서 비누가 쉽게 풀리고 세척력이 양호한 경향이 있다. 이런 점에서 생활에서 사용하는 물로 경수보다는 연수가 바람직하다. 그 의미를 산업현장과 연관지어 살펴보면, 경수는 온수 파이프 배관 속에 스케일(scale)을 형성하여 배관 효율을 저하시키고 열교환 효율을 떨어뜨리는 특징을 갖는 물이다.
경수인지 연수인지를 구분하는 정량적 기준은 사회마다 조금씩 다를 수 있다. 이를 구분하는 양적 지표가 경도(hardness)이다. 경도는 보통 물속에 존재하는 2가 양이온(Ca, Mg, Sr, Fe, Mn)의 양을 CaCO3로 환산, 계산하여 표현한다. 경도에 따른 물 분류는 다음과 같다.
표 1. 경도와 경수 판정 기준
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Hardness Degree of
mg/L as CaCO3 hardness
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0~75 soft
75~150 moderately hard
150~300 hard
300 이상 very hard
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* 개별 이온의 경도(Hardness) 계산
hardness (in mg/L) as CaCO3 = (2가 금속이온 농도)(mg/L)x50/(2가 양이온 질량 당량(원자량의 1/2))
* 계산의 예
- 조건
물에 포함된 양이온: Na+ 20mg/L, Ca2+ 15mg/L, Mg2+ 10mg/L, Sr2+ 2mg/L
- 총 경도계산
1) 2가 금속이온인 Ca, Mg, Sr의 농도만 고려한다.
(Ca의 원자량: 40.0, Mg의 원자량: 24.30, Sr의 원자량: 87.6)
2) Ca2+에 의한 경도 : 15x50/20=37.5
Mg2+에 의한 경도: 10x50/12.2=41.0
Sr2+에 의한경도: 2x50/43.8=2.3
3) 물의 총 경도
물의 총 경도 = 37.5+41.0+2.3=80.8mg/L as CaCO3
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위와 같은 계산방법에 의해 국내 수돗물의 일반적인 이온 농도를 고려하여 경도를 계산해 보면 다음과 같다.
* 국내 서울시 수돗물내 일반적인 2가 이온 농도: Ca2+ 20mg/L, Mg 5mg/L, 나머지 1mg/L 이하로 무시
* 경도 계산: 20x50/20 + 5x50/12.2 = 70.5 mg/L as CaCO3
---> 위 표 1에 의하면 이 수돗물은 soft water라고 할 수 있다!!!
* 위의 계산에 따라 서울시 수돗물은 이미 연수(soft water)라고 할 수 있고, 별도의
연수화 장치가 대개의 경우 필요하지 않음.
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